增强现实技术的发展与应用
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摘 要：增强现实技术将虚拟世界叠加在现实世界上，使体验者在虚实融合的世界进行互动，是近年来的研究热点。文章首先综述了增强现实技术的国内外研究现状，然后详细介绍了跟踪注册技术、3D显示技术和人机交互技术三项关键技术，最后对增强现实技术的应用发展进行阐述，并展望了其进一步的研究和发展。
关键词：增强现实；跟踪注册技术；3D显示技术；人机交互技术
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0180-02
1 概述
增强现实技术是虚拟现实技术的一个重要分支领域，是近些年来各大高校和研究机构的研究热点。与虚拟现实技术使用户完全沉浸在虚拟世界环境中不同，增强现实技术将虚拟世界与现实世界相结合，把虚拟世界B加在现实世界并进行互动，通过诸如各种成像眼镜、头戴光学透视显示器、投影仪等多种设备，为用户提供一个由虚拟信息和真实景物构成的混合式场景。1997年，北卡大学的罗纳德・阿祖玛从三个方面的内容：虚拟物体与现实环境结合、三维显示和实时交互定义了增强现实。因此，增强现实技术是一种将计算机产生的数字图形动画等信息实时叠加显示到现实的场景中，并使用户可以在虚实混合的场景中进行自然互动的人机交互技术。增强现实技术提供了更加自然的交互能力，让人们能够以全新的方式去体验和认知周围的事物，并能帮助我们完成一些复杂的工作，在现阶段增强现实技术比虚拟现实技术具有更广泛的应用空间。
2 国内外研究情况
最早关于增强现实技术的研究可以追溯至1968年，美国麻省理工学院研发了世界上第一台光学透视头戴式显示器，该设备可以将计算机生成的图形实时与真实场景叠加、融合，掀开了增强现实技术的面纱。1999年，美国华盛顿大学和日本广岛城市大学成功联合开发了基于标识的增强现实系统开发包ARToolKit并维护至今，极大地推动了增强现实技术的普及，进而涌现出更多相关的软件应用和开发系统。现阶段，增强现实技术的核心算法、人机交互方法和软硬件基础平台是各大研究机构的研究重点。主导基于自然平面图像与立体物体识别追踪三维注册算法的瑞士洛桑理工学院计算机视觉实验室[1]、专注于基于增强现实技术的人机交互技术研究的新加坡国立大学多媒体交互实验室[2]以及正在研发增强现实辅助汽车机械维修的德国宝马实验室[3]都是增强现实技术领域的翘楚，被公认为代表业内的领先水平。随着硬件设备技术的不断发展以及增强现实技术的日益成熟，原有的研究领域已拓展到许多新的领域。
国内关于增强现实技术的研究较国外起步较晚，主要的研究机构大都分布在各大高校，如北京理工大学、浙江大学、北京航天航空大学等，研究的领域比较单一、涉及面比较窄。随着增强现实技术的发展，我国开始对增强现实技术逐渐重视，并将增强现实技术列为国家科学技术发展规划的一个重点研究方向。
3 关键技术
3.1 跟踪注册技术
跟踪注册技术是指通过相应的算法计算虚拟场景与现实场景坐标系的映射关系，将计算机产生的虚拟物体按照映射关系叠加到现实场景中的确定位置，从而追踪和定位显示场景中的物体或图像，这也是实现增强现实的首要目标。目前主要采用基于视觉的图像实时识别追踪计算技术和基于硬件跟踪器的匹配追踪技术，或采用二者结合的方式。
3.1.1 基于视觉的图像实时识别追踪计算技术
该技术首先提取平面识别标识图像的特征点，然后根据真实场景中的图像反推计算出用户的运动轨迹，从而明确虚拟图像或物体叠加上来的位置和方向。该技术不需要特殊硬件辅助计算，配准精度高，但计算复杂度高，因此增加了系统延时；因为对识别追踪的速度、准确性以及环境光的适应性有较高要求，并且具有对多目标的识别标识同时追踪的需求，所以大多数情况下都采用非线性迭代，鲁棒性不高，误差控制较困难。
3.1.2 基于硬件跟踪器的匹配追踪技术
基于硬件跟踪器的匹配追踪技术通过绑定六自由度或三自由度的运动跟踪传感器或摄像机，实时捕捉物体姿态数据，从而求出物体的相对空间位置和方向，进而确定虚拟图像或物体叠加的透视坐标。这种基于硬件跟踪器的匹配追踪技术不受环境光线的限制，并且系统延时小、精度更高，但设备昂贵，且移动和安装空间受限，比较适合应用在一些比较专业的增强现实场景中。
3.1.3 二者结合的匹配追踪技术
在条件允许的情况下，可以将基于视觉的图像实时识别追踪计算技术与基于硬件跟踪器的匹配追踪技术结合，充分利用两种技术各自的优势，提高跟踪注册的定位精度，从而提高增强现实应用的稳定性与环境适应性。
3.2 3D显示技术
除了高效、精准的跟踪注册技术外，逼真的虚实融合的3D现实效果也是增强现实中必不可少的，这依赖于高效率的3D显示实时渲染引擎和各种辅助的3D显示硬件设备。
3.2.1 3D显示实时渲染引擎
充分利用新一代CPU和GPU的多核运算能力，现阶段的主流3D显示实时渲染引擎可以在现实场景内实时显示逼真的虚拟物体3D渲染效果，配合实景光线追踪技术以及多种光影的动态效果，可进一步提升虚实场景融合的3D效果显示。与此同时，3D显示实时渲染引擎还可以集成虚拟环绕立体声库和物理特效库等，进而对虚拟物体的声效、重力、碰撞、粒子等物理效果进行仿真，进一步提用户体验。
3.2.2 3D显示硬件设备
辅助3D显示的硬件设备可以分为头戴式显示、手持式显示和空间显示三类设备，各类设备的成像位置有所不同。头戴式显示设备在离用户眼睛大约4-10厘米处成像，用户在使用时需在头部佩戴显示设备，头戴式显示设备的主要缺点是显示分辨率低、视域受限；手持式显示设备在离观察者一个手臂远的距离处成像，该类设备的主要缺点是：存储容量小、处理器性能低、视域范围小，且影响观察者手臂的运动或其他操作；空间显示设备可以和人体分离使用，在离人体较远处成像，避免了头戴和手持显示设备受人体空间的使用限制，并且系统可以采用外部交流供电，容易解决，可支持宽视域、高亮性、高分辨率和高对比度的影像，该类设备的主要缺点是：只能应用于固定场景、合成影像精度低。
3.3 人机交互技术
用户能够与真实场景中的虚拟信息之间自然交互是增强现实技术的目标，成熟的人机交互技术是实现这一目标所不可或缺的。有多种方式实现增强现实系统的人机交互，从传统的鼠标键盘交互到语言、手势交互，人机交互技术的发展极大的扩展了增强现实的应用领域。
由于增强现实技术独特的虚实融合的3D显示效果，传统的二维平面界面交互方式也被扩展到更加自然的3D空间交互方式，与现实的物体和场景有了更紧密直观的关联，基于语音或手势的人机交互方式也应运而生。基于语音或手势的交互是一种新颖的人机交互手段，用户手部的动作或说出的话音可以看作是人机交互的接口，通过捕捉用户的各种手势、动作、话音的信息作为交互的输入，直观且自然，并且降低了人机交互的成本，能够让用户更准确地实现在现实场景中与虚拟物体的互动，若辅助3D虚拟环绕声、虚拟触感反馈等多模态交互技术，则可实现更自然的虚实融合的人机交互方式，这也是进一步提高增强现实应用人机交互体验的技术方向[4]。
4 增强现实的应用发展
近年来，增强现实技术取得了显著的进步，诸多领域的研究都可以与增强现实技术相结合，从而相互促进发展。在医疗、军事、古迹复原、世钟蜗贰⑼络视频通信等领域需求的积极推动下，增强现实技术都展现出强劲的发展前景，在跟踪识别精度、硬件设备发展、虚实合成显示等方面正在快速发展和提高。新型产品的出现也给研究人员带来更多的启示与灵感，从而拓展相关研究，促进增强现实技术向着更高、更快、更精准的方向发展。相信在不久的将来，增强现实技术会在各个领域得到更广泛的应用，为更自然有效的人机交互提供便利。
参考文献：
[1]V.Lepetit. Vision Based 3D Tracking with Applications to Augmented Reality[EB/OL].http：//cvlab.epfl.ch/research/complet？ed/realtime_trackin，2012-02-06.
[2]Syed Omer Gilani， Steven Zhou. What You Write Is What You Get： A Novel Mixed Reality Interface [EB/OL].http：//.s， 2012-02-06.
[3]BMW. BMW research projects-virtual world meets reaity[EB/OL].http：///com/en/owners/service/augmented_reality_introduction，2012-02-06.
[4]Jaka Sodnik， Saso Tomazic.Spatial[C]//Proceedings of the 18th Australia conference on Computer-Human Interaction.